掃描電子顯微鏡簡(jiǎn)稱為掃描電鏡，英文縮寫為SEM。它是用細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。現(xiàn)在掃描電鏡都與能譜(EDS)組合，可以進(jìn)行成分分析。所以，掃描電鏡也是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學(xué)等領(lǐng)域。

掃描電鏡發(fā)展歷史

　　1924年，德布羅意提出物質(zhì)波的概念，為電子顯微鏡提供了Z基本的物理基礎(chǔ)。

　　1926年，德國(guó)的Garbor和Busch發(fā)現(xiàn)用鐵殼封閉的線圈形成軸對(duì)稱磁場(chǎng)可以使電子流折射聚焦，于是人們就可以對(duì)電子波進(jìn)行操控。

　　1935年，德國(guó)的Knoll提出現(xiàn)代掃描電鏡的概念，通過掃描成像進(jìn)行放大。

　　1965年，英國(guó)劍橋儀器公司生產(chǎn)出diyi臺(tái)商用掃描電鏡，其分辨率為25nm。

　　1968年，Knoll研制出場(chǎng)發(fā)射電子槍，使掃描電鏡的分辨率得到進(jìn)一步的提高。

　　1958年，ZG長(zhǎng)春光機(jī)所生產(chǎn)了我國(guó)diyi臺(tái)掃描電鏡，它的分辨率是10nm。

掃描電鏡工作原理

　　掃描電鏡的電子束經(jīng)過柵極靜電聚焦后成為直徑50μm的電光源，經(jīng)過加速電壓作用，通過多級(jí)透鏡，會(huì)聚成幾納米大小的電子束，打在樣品表面。隨后的掃描線圈，它是電子束在樣品表面做光柵狀掃描，產(chǎn)生各種信號(hào)，這些信號(hào)被接收器接住，經(jīng)過放大器放大之后送到顯像管上，調(diào)制顯像管的亮度。

　　由于掃描線圈的電流與顯像管的相應(yīng)偏轉(zhuǎn)電流同步，所以樣品表面上一點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)與顯像管熒光屏上的點(diǎn)和亮度一一對(duì)應(yīng)。各個(gè)像點(diǎn)從左上方到右下方，依次一行一行地傳送出去，直到形成一幅圖像。簡(jiǎn)單概括起來就是“光柵掃描，逐點(diǎn)成像”。

掃描電鏡的結(jié)構(gòu)

　　掃描電鏡可以分為電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)收集處理系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)。

　　電子光學(xué)系統(tǒng)：掃描電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件。它的目的是獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。

　　電子槍：掃描電鏡電子槍是發(fā)射電子的照明源。Z初的電子槍是發(fā)夾式鎢絲燈，它是一種熱陰極電子槍，利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。它的優(yōu)點(diǎn)：燈絲價(jià)格便宜，真空要求不高;缺點(diǎn)：發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑大，分辨率低。更好的熱發(fā)射電子槍采用六硼化鑭(LaB6)，因?yàn)樗墓瘮?shù)比鎢低，發(fā)射電子更容易。場(chǎng)發(fā)射電子槍利用的是電子的隧穿效應(yīng)，二次電子像的分辨率可達(dá)到2nm。

　　電磁透鏡：電磁透鏡的作用是把電子槍的束斑逐漸縮小，從原來直徑約為50mm束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。一般有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡(習(xí)慣上稱其為物鏡)，具有較長(zhǎng)的焦距，它的功能是在樣品室和透鏡之間留有盡可能大的空間，以便裝入各種信號(hào)探測(cè)器。在該透鏡下方放置樣品可避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾。

　　掃描線圈：掃描線圈的作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?，以獲得所需放大倍率的掃描像。SEM的放大倍數(shù)是由調(diào)節(jié)掃描線圈的電流來改變的，電流小，電子束偏轉(zhuǎn)小，在樣品上移動(dòng)的距離小，放大倍數(shù)大。

　　樣品室：首先就是樣品臺(tái)。要容納大的樣品(~100mm)，能進(jìn)行三維空間的移動(dòng)，還能傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，精度高，振動(dòng)小。還得有各種信號(hào)檢測(cè)器，信號(hào)的收集效率和相應(yīng)檢測(cè)器的安放位置有很大關(guān)系。很多時(shí)候還要有多種附件，用于加熱、冷卻、拉伸，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。

　　信號(hào)收集系統(tǒng)：用于信號(hào)收集，包括二次電子和背散射電子收集器、吸收電子檢測(cè)器、X射線檢測(cè)器(波譜儀和能譜儀)。

　　顯示系統(tǒng)：一般有兩個(gè)顯示屏，一個(gè)用于觀察，一個(gè)用于記錄照相。陰極射線管CRT掃描一幀圖像可以有0.2s、0.5s等掃描速度，上面一般有500條線，用于人眼觀察;照相的800~1000條線。觀察時(shí)為便于調(diào)焦，采用快的掃描速度;拍照時(shí)為得到高分辨率，采用慢的掃描速度(50~100s)。

　　真空系統(tǒng)：目的是提供真空，真空泵包括機(jī)械泵和擴(kuò)散泵。其作用是保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，保持燈絲壽命，防止極間放電。掃描電鏡中的真空度要求大致是10^-4~10^-5mmHg。

　　電源系統(tǒng)：包括啟動(dòng)的各種電源(高壓、透鏡系統(tǒng)、掃描線圈)，檢測(cè)-放大系統(tǒng)電源，光電倍增管電源，真空系統(tǒng)和成像系統(tǒng)電源燈。還有穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路。

掃描電鏡與光學(xué)顯微鏡、透射電鏡的對(duì)比

　　掃描電鏡SEM與光學(xué)顯微鏡OM、透射電鏡TEM的差別很多。在OM和TEM中，透鏡起的是放大作用;而掃描電鏡中，透鏡起的是會(huì)聚作用，得到很細(xì)的電子束。OM和TEM都是透過樣品信號(hào)成像，而掃描電鏡不是透射信號(hào)成像。OM的放大倍數(shù)不是連續(xù)可調(diào)的，需要更換不同的透鏡才能改變放大倍數(shù);TEM主要是進(jìn)行高分辨，放大倍數(shù)改變的范圍很小。OM和TEM都是整體成像，而掃描電鏡是逐點(diǎn)掃描成像。

　　總的來說，掃描電鏡有很多優(yōu)點(diǎn)。首先是高的分辨率。由于超高真空技術(shù)的發(fā)展，場(chǎng)發(fā)射電子槍的應(yīng)用得到普及，現(xiàn)代先進(jìn)的掃描電鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到1納米左右。有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào);其次，掃描電鏡有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。另外，掃描電鏡試樣制備簡(jiǎn)單，可以直接觀察大塊樣品。此外，配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織形貌的觀察和微區(qū)成分分析。